石油钻采设备用阀杆断裂失效分析.pdf

0 ／ ； ／ ／ ＼ ／ ； ＼ ～ 测试与分析 ～ 石油钻采设备用阀杆断裂失效分析 刘国永 1 ． 上海市机械制造工艺研究所有限公司， 上海 2 0 0 0 7 0 ； 2 ． 上海金属材料改性技术研究中心， 上海 2 0 0 0 7 0 摘要 石油钻采设备 中的 1 C r l 3阀杆在使用过程 中出现卡死、 断裂现 象。对阀杆的断 口及螺纹卡死 区域 进行了宏观、 微观及化学成分分析。结果表明， 阀杆的化学成分基本符合要求， 阀杆断裂与其强度 不高及局部严重腐蚀有关。 关键词 阀杆 ； 断裂 ； 腐蚀 中图分类号 T G1 1 5 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 6 9 0 2 0 1 4 0 5 0 0 7 7 - 0 4 An a l y s i s o n Fr a c t u r e o f Va l v e S t e m o f Oi l Dr i l l i n g Eq u i p me n t LI U Gu o y o n g 1 ． S h a n g h a i I n s t i t u t e o f Ma c h i n e B u i l d i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ， ，S h a n g h a i 2 0 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f Me t a l Ma t e r i a l s Mo d i fi c a t i o n ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 0 ， C h i n a Abs t r a c t1 Cr l 3 s t e e l v a l v e s t e m o f o i l d r i l l i n g e q u i p me n t d e a d l o c k e d a n d f r a c t u r e d i n s e r v i c e ． Th e f r a c t u r e o f v a l v e s t e m a n d t h e d e a d l o c k z o n e o f t h r e a d w e r e s u b j e c t e d t o m a c r o s c o p i c ，m i c r o s c o p i c a n d c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s e s ．Th e r e s u l t s s ho w t h a t t he c h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f v a l v e s t e m c o me u p t o t h e s t a n d a r d o n t he wh o l e，a n d t h a t t h e f r a c t u r e o f v a l v e s t e m a ris e s f r o m i t s i n s u ffic i e n t s t r e n g t h a n d b e i n g l o c a l l y s e rio u s l y c o r r o e d ． Ke y wo r d sv a l v e s t e m ； f r a c t u r e； c o r r o s i o n 某厂生产的石油钻采系统用阀杆的闸阀装配情 况如图 1所示 。阀杆最大外径约 3 1 ． 8 m m， 总长为 3 2 5 mm， 材质为 1 C r 1 3 。阀杆 螺纹 区域经表面氮碳 共渗处理 ， 要求厚度 0 ． 0 1～0 ． 0 2 5 m m， 表面硬度 ≥ 9 0 0 HV。该阀杆在使用过程 中卡死 ， 并 在外力扭转 下 出现断裂 。本文通过系统 的理化检测分析 了阀杆 的断裂原因。 1 宏观分析 阀杆断裂位置如图 1 所示。可见断裂发生于阀 杆氮碳共渗部位截面突变区域的根部， 阀杆近断口 区域表面基本呈黑色 ， 并 可见局部有黄褐色 的锈蚀 状斑点。阀杆近端部配有一 直径约 1 2 ． 4 mi l l 的销 轴 ， 为阀杆的安全销 ， 销轴一方面与杆套起到连接作 用， 另一方面在阀杆卡死、 过载时其会优先断裂， 而 断裂阀杆的销轴并未出现断裂现象 。 阀杆断 口宏 观形 貌 如 图 2所示 ， 断 口直径 约 2 4 mm， 基本呈横 向分布 。断面近边缘环 周 内可见 多个小块状塑变平滑区 ， 呈棘轮状分布 ， 拟为切应力 下多源启动的切断所致 ； 断面心部区域较粗糙 ， 可见 有扭转流变 的条纹分布 ， 断 口中心沿扭转方 向呈向 上凸起状 ， 拟为扭转断裂后期瞬间正应力作用所致 。 断口整体呈过载性扭转断裂特征 ， 近边缘拟为起始 区， 心部为终断区。断口附近阀杆表面可见多处黄褐 色锈蚀斑区分布， 表明阀杆曾受腐蚀性介质影响。 图 1 闸阀装配情况及阀杆断裂位置 F i g ． 1 T h e g a t e v a l v e a s s e mb l y a n d b r e a k p o i n t o ft h e v a l v e s t e m 收稿 日期 2 0 1 4 ． 0 7 ． 1 7 基金 项 目 本项 目研 究得到 上海市科 学技 术委 员会的资助 ， 资助课题编号 为 1 2 D Z 2 2 9 1 7 0 0 。 作者简介 刘国永 1 9 8 5 一 ， 男， 河北人 ， 助理工程师， 主要从事失效分析及金属材料理化检测工作。联 系电 话 0 21 - 5 6 9 7 7 3 7 77 4 4， E ma i l l g y 0 4 0 0 0 5 1 6 3． c o n 热处理 2 0 1 4年第 2 9卷第 5期 7 7 图 2阀 杆 断 口宏 观 形 貌 卜 1 i g． 2 Ma t ’ r I 】H t ’‘ ， l 1 i t ‘II 1 1 1’ t l h o hl g y 【 1 {’ t h e v a I v s l e t l l f r a ‘ ‘ l i l t‘P 2 微观分 析 2 ． 1 阀杆断口 近起始区 If 仟断 1 I 起始 域进行j ’ _ J 描 I U 镜 分析。断口 近边缘起f ff f 域较平_- l l l ， J I lj 部 ‘ 挤 折叠 的细小 台 阶状彤貌， 高倍下可 见该I 域断面为变形的韧窝状 形貌， 5 『 切 忭 变形特征， 如【 3所示 图3 断口边缘起始区域高倍形貌 S E I F i g． 3 SEI I I I O I’ p h o l og y n f I l l e f r a c ‘ I t l r e s t a r l i i i g{ I l’P a 杆 面近断 I I 区域仃多处细小凹坑 - 4 i s ， 高 倍下可见这些凹坑 『 人 】 腐蚀形貌特征 ． 局部凹坑 周 fi l l 4 , 饱裂纹分布 ， 如图4、 图 5所示 图 4阀杆表面近断 口区域 凹坑形貌 S E I p 、 i g ． 4 SEI mor l l h o l o g y o f t h e i n t h e v a l v e s t e m s ur f a c e ar d Il l l lI I ，t h e ffmt u i e 图 5阀杆表面近断 口区域腐蚀形貌 S E I Fi g ． 5 SEI I I1 1 1‘ 1 i h o h’ g ’ I h e C Ol‘ r o i le d 、 a I 、 P s I I I s I 】 r f u , t a I -t d l 1t H r I I ，t h e tr a c t t l lc 】 在陔区域的法向截断上进行金卡 } 1 分析 近断 【 1 起始区域组织为 阿火索氏体 少 碳化物， t l L T J t 较 均匀 ， 未 口 J J 与断裂_十 } I 关的火杂物类缺陷分佰， 近 断叫处 织仃流变现象 ， 如 6所爪 阀仟表l f l i 近断 f I 区域可 见有细小裂纹分 i ， 裂 纹 附近fl t -P J t q 3 ； 可见流变现象， 撕 裂状特 ， 如图 7 所 示 图 6断 口起始区域组织形貌 i g ． 6 Mi , ‘ I OP4 [ 1 L I ‘ t l l r t o f mI 【 。 I i i l-P4 l ；l l ’l i n g Il r P d 图 7断 口 侧 裂 纹 区域 组 织 形 貌 Fi g ． 7 M k ‘ r os t t’／ l ⅢP E r a 【 ’k { 1 1 1 1 I’t h e [r a t l I L lr P 2 ． 2 阀杆断口 近心部终断区 对阀杆断 I I 心部终断区域进行扫描电镜 分析 该 区域断面 ‘ 回旋凸起状 ， 断 相埘较粗糙 ， J I t 部 挤压擦伤痕迹 高倍下 呵见该区域断面坫本I ．F i 4t 1n 1- 一 I f 7 8 热处理 2 0 1 4年第 2 9卷第 5期 J t 裂状 ， 0 钉} ； j 】 窝肜 貌， f n 1 8所 ， 表 叫该阀卡 1 心． I L l 【 织 - 脆惟断裂特征 、 图8 断面近心部终断区高倍形貌 S E I I L g． 8 SH『 l l l I o l’ fi ‘a t ’t m’P【 ’ J 1 l t e l’ 陔I 域的法⋯截 I 进行金卡 分析近阀什 心邴断 『 1 终断区域 织形貌如 9所示， 可 见断山 f 。 t, U ⋯ll 开裂形态， 陔【 域组纵 为 火索氏体 带状 铁索体 图 9断 口 终 断 区 组 织 形 貌 Fi g ． 9 M i t r I l s l r t l t q l l r iP o f fia, l u r e e nd i n g a l ’P a 2 ． 3 X射 线 能谱 分析 对[ 冬 1 5所示 坑内物 质进行能谱分析 ， 能涪曲 线 图 l 0所示 ， I I 『 该I天域含有 C I 、 S等元素， 表明 阀杆在 服{ 殳 过程 I f 1 受到 禽 C I 、 S等元素的腐蚀性物 质影 响 图 1 0 阀杆表面腐蚀物质 能谱 曲线 f } _1 以上微观分析结果分析可 ， 阀杆断 I 1 过 载性扭转 性断裂特征 ， 断 【 部 域呈脆 E I l l f 1 lI Ij 断裂形貌 断裂阀朴的旗体未见明 与断裂相关的 夹杂物等冶金类缺陷 ， 但断 【 l 附近 t J - 明 腾蚀及 与腐蚀相关的细微 裂纹分 ， 表明断裂的起始与惦 蚀 有关 3剪切及 扭转试验 对阀朴【 J lc 配的轴销进行剪切 度洲定 ， 结果得 切强度 为 5 9 9 N ／ mm 在 阀仟完好 域 取样 进行扭转试验 ， 结果如表 l所示 表 1 阀杆基体试 样扭转试 验结果 T a b l e 1 Re s u lt o f t o r s i o n t e s t o f t h e s t e m b a s e s a mp l e 根据以 I 试验结果及力矩平衡 理计算安全销 轴 剪切强度 j 阀杆最大扭矩的关系 已知安全轴销最大剪 切强度为 5 9 9 N ／ n u n ， 即 销轴剪切断裂时剪切力为 Fz S 1 式 【 } t F为 切力， N； 为剪切啦度 ， N ／ n u n ； S为销 轴横截面l干 j l ， mi l l ； 轴销断裂时的外J J l 1 扭矩为 T2 F R 2 式 中 7 1 为扭矩 ， NI l l ； ’ 为剪 切 J ， N； R为销轴 处 阀 半径 ， l l l l ll ； [ f 1 式 1 代入式 2 f l f 得 T2 zS R 2 3 0 5 N m 3 由 卜 式i 卜 算可得 ， 阀杆细段 区 2 4 Il l n l 径 区 域 扭转断裂时的扭矩 1 3 5 6 Nm 远小于安全轴 销剪切断裂所需扭矩 2 3 0 5 N i n ， 即在过载外力 作用下 ， 阀杆要早于安全销轴断裂 、 4硬 度测试 对阀杆氮碳共渗区域表面进 行维 氏硬度测定 ． 结果为7 4 3 H V O ． 1 、 8 0 8 HV O ． 1 、 8 7 2 H V O ． 1 企业技 术要求 ／9 0 0 H V ． 、 在阀杆的横截面上进 行布氏硬 度测定 ， 结果为 2 3 l H B W、 2 3 5 H B W、 2 3 5 H B W 企 业技术要求 1 9 7～2 3 5 H B W 。[ f J 以上硬度测定结 果可看到， 阀杆表面氮碳 共渗段未达到相关热处理 技术要求 。 5化学成分分析 在断裂阀杆上取样进行化学成 分分析 ， 结果如 I i g ． 1 0 S p e c l r I l 【 1I l lw 。 f l r r I 1⋯ i n州b s t a 1 1 J 1 s I 1 r f a ． 表 2所示 热处理 2 0 1 4年第 2 9卷第 5期 ’ 7 9’ 表2阀杆的化学成分 质量分数。 ％ T a b l e 2 C h e mi c a l c o mp o s it i o n o f t h e v a lv e s t e m ma s s f r a c t i o n ， ％ 由化学分析结果可得， 阀杆的化学成分中除 c 达到要求上限、 P略超标外 ， 其它基本符合 1 C r 1 3钢 的企业技术要求 。 7结论 与建议 1 阀杆的断裂 为过 载性扭转 断裂， 断裂 的发 生与阀杆 自身强度不足及局部严重腐蚀有关。该 阀 杆在服役过程中 ， 螺纹啮合 区域由于长期受含 C l 、 S 等元素介质的腐蚀， 而造成螺纹区域腐蚀膨胀导致 卡死， 在后续外部较大扭转应力作用下， 由于阀杆自 身强度不足而发生过载断裂。同时 ， 杆部表面局部 的腐蚀也促进了断裂的发生。 2 为防止 阀杆此类断裂 的发 生， 原材料 的化 学成分及后续表面处理一定要符合相关技术要求； 客 客 盒 客 套 套 套 客 客 客 客 客 客 套 盒 客 客 客 套 客 客 客 客 [ 知识园地 ] 同时， 系统安全轴销的强度与阀杆自身的最大扭矩 要匹配得当； 另外 ， 考虑到使用环境 中不可避免的腐 蚀性介质因素 ， 建议改善表面处理效果亦或更换耐 腐蚀性能更好 的材料。 致谢 本失效分析是在我们所总工程师任颂赞 及检测 中心主任陈德华 的悉 心指导下完成 的。在 此 ， 向他们表示衷心的感谢 参考文献 [ 1] J B ／ T 6 8 4 2 1 9 9 3 ， 扫描电子显微镜 试验方法[ s ] ． [ 2] G B ／ T 1 7 3 5 9 - 2 0 1 2 ， 微束分析 能谱法定量分析[ s ] ． [3]G B ／ T 1 3 2 9 8 - 1 9 9 1 ， 金属显微组织检验方法 [ S ] ． [ 4]G B ／ T 4 3 3 6 ． 2 0 0 2， 碳素钢和 中低碳 钢 火花源原 子发射光 谱分 析方法 常规法 [ s ] ． [ 5] 孙国钧， 赵社戌． 材料力学[ M] ． 上海 上海交通大学出版社， 2 O O 6 ． 轧辊 轧辊按制造 材料 方法分为 1 铸造轧辊 碳素铸钢轧辊 碳量 0 ． 4 ％～0 ． 8 ％的碳素钢 ； 合金铸钢轧辊 合金元素总量不大于 5 ％ 的合金钢 ； 铸造半钢轧辊 碳量 1 ． 4 ％～2 ． 3 ％及适当合金元素的铸钢 ； 石墨铸钢轧辊 组织中有适量的石 墨， 碳量1 ． 2 ％～2 ． 5 ％和硅量大于 0 ． 8 ％的铸钢 ； 高铬铸钢轧辊 铬量大于 6 ％的合金铸钢 ； 冷硬铸铁轧辊 辊身表层有一定白口层的铸铁 ； 半冷硬球墨铸铁轧辊 采用挂砂冷型铸造的球墨铸铁 ； 无界冷硬铸铁轧 辊 无限冷硬铸铁轧辊 ， 采用金属型铸造 ， 辊身表层为麻 口铸铁 ； 珠光体球墨铸铁轧辊 辊身工作层基体为 珠光体 的球墨铸铁 ； 针状组织球墨铸铁轧辊 辊身工作层基体为针状组织的球墨铸铁 ； 高铬铸铁轧辊 辊 身工作层为铬量大于 1 2 ％的白口铸铁 。 2 锻造轧辊 锻钢轧辊 采用钢锭锻成 ； 锻造半钢轧辊 采用半钢铸坯锻成 ； 锻造 白口铁轧辊 采用 高纯度亚共晶白口铸铁锻成 。 3 粉末冶金轧辊 以碳化钨或其他为基体原料 ， 用粉末冶金方法制成 。 4 连续浇注复合轧辊 在实心的金属棒周围， 连续地浇入高合金外层熔合而成 ， 简称 C P C轧辊。 5 喷射沉积复合轧辊 采用液态高合金雾化沉积工艺方法 。 6 堆焊轧辊 在轧辊表面堆焊一层耐磨合金 。 薄鑫涛 热处理 2 0 1 4年第 2 9卷第 5期